JP2005318542A - 撮像装置及び撮像用光検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化に適した光学系を備え、モアレ縞が形成されにくい撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明の撮像装置は、相互に異なるフィルタリング特性を有する第１から第３の色フィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂを含む少なくとも３個の色フィルタと、第１から第３の色フィルタにそれぞれ対応づけられた第１から第３のレンズ系２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを含む少なくとも３個のレンズ系と、第１の色フィルタ９Ｒおよび第１のレンズ系２Ｒを透過した光を受ける第１の光検出器４Ｒ、第２の色フィルタ９Ｇおよび第２のレンズ系２Ｇを透過した光を受ける第２の光検出器４Ｇ、および、第３の色フィルタ９Ｂおよび第３のレンズ系２Ｂを透過した光を受ける第３の光検出器４Ｂを含む光検出部とを備える。第１から第３の光検出器４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの各々は、二次元的に配列された光検出セルのアレイを有し、各光検出セルの中心は、辺を共有する三角形群の各頂点に位置し、前記三角形の３つの頂角は、いずれも９０°に等しくない。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体の映像を撮影するために用いられる撮像装置及び撮像用光検出装置に関する。

近年、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像装置がデジタルカメラや携帯電話などの小型電子機器に広く用いられている。このような撮像装置の構成が例えば非特許文献１に開示されている。

以下、図８（ａ）および（ｂ）を参照しながら、従来の撮像装置の主要構成を示す。図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、撮像装置及び撮像用光検出装置の断面構成を示している。

物体１で反射され自然光等の光は、図８（ａ）に示すように、レンズ系２によりＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの光検出器（photodetector）４の受光面上に像３を形成する。なお、一般のレンズ系２は、所望の光学性能を実現するように光軸に沿って並んだ複数のレンズの組み合わせであるが、ここでは簡単のため、単一のレンズから構成されるものとして説明を行う。

光検出器４は、受光面に沿って複数の受光部６が二次元的に配列された検出基板５と、その受光面上に堆積された透明層７とを備えている。透明層７中には遮光マスク８が存在し、その上には色フィルタ９、透明層１０、およびマイクロレンズ１１が積層されている。受光部６からマイクロレンズ１１までの構造体（光検出セル）が、単一色の画素に相当する光を検出する。赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）の三原色について、それぞれの色に対応する画素の光検出セルから得られる信号を合成することにより、カラー画像を再生することができる。

各受光部６は光検出面内で直交格子の交点位置に配置されて互いに絶縁され、それらの間には隙間がある。この隙間には、検出信号を転送（ＣＣＤの場合、垂直転送及び水平転送）するための配線が引き回されている。遮光マスク８は各受光部６の間の隙間に相当する部分の上に形成されており、受光部６は遮光マスク８には覆われていない。色フィルタ９及びマイクロレンズ１１の中心は受光部６の中心に整合しており、遮光マスク８の各開口部は色フィルタ９で覆われている。

二次元的に配列された複数の受光部６は全て同じ構造を有しているが、色フィルタ９には、赤色透過、緑色透過、青色透過の３種類が存在している。赤色透過フィルタは、赤以外の波長の光をカットし、緑色透過フィルタは、緑以外の波長の光をカットし、青色透過フィルタは、青以外の波長の光をカットする光透過特性を有する。

受光部６は赤色検出用、緑色検出用、青色検出用、明るさ検出用の４つの集まりで１セットを構成する。４つの受光部６は、例えば正方形内を時計回りの順で並び、それぞれの上には赤色透過、緑色透過、青色透過、緑色透過の色フィルタ９が対応して組み合わされている。このような色フィルタ９の配列は、ベイヤー配列と称されている。明るさ検出用に緑色透過の色フィルタ９が用いられるのは、人間の目にとって緑色がもっとも感度が高いためである。マイクロレンズ１１は、同図（ｂ）に示すように、光線１２のようにマイクロレンズ１１の中心軸からシフトして入射する光を屈折させ、本来遮光マスク８によって遮られるべき光を開口部側に折り曲げ、受光部６に導く働きをなす。

図９（ａ）は従来例における光検出器４の一部を上から眺めた図で、画素１６が直交格子の交点位置に等間隔（ピッチΛ）に並んでいる。

撮像装置の性能を左右する基本的な要素として解像度と明るさが上げられる。解像度は受光部６の総数（画素数）に関係するが、レンズ系２の焦点距離ｆを固定にすると、受光部６のサイズ又は密度に関係する。

また、明るさは単一の受光部６が検出する光量に関係する。受光部６のサイズが小さいと解像度は向上するが、検出光量は減るので明るさは劣化する。反対に、受光部６のサイズが大きいと明るさは向上するが、解像度は劣化する。

明るさは焦点距離ｆやレンズの口径（直径Ｄ）にも関係する。焦点距離／口径＝ｆ／ＤのことをＦ値と呼び、これが小さいほど明るくなる（Ｄが大きいと広い面積の光を取り込めるので明るくなり、ｆが小さいと像のサイズが小さくなり、像サイズに反比例して像の光強度が増すので明るくなる）。

また、解像度はレンズ系２の光学性能にも関係する。レンズ系２の光学性能が高く、像３が高周波数のパターン（微細なピッチのパターン）まで再生されていれば、解像度も向上する。反対にレンズ系２の光学性能が悪く、像３が低周波数のパターンしか再生できなければ、解像度は劣化する。マイクロレンズ１１は遮光マスク８によって遮られるべき光を受光部６に導くので、明るさの改善にある程度寄与している。
光アライアンス，１２，Ｎｏ.５ （２００１）１−１４

このような従来の撮像装置及び撮像用光検出装置において以下の問題があった。例えば図８（ｂ）で示すように、マイクロレンズ１１の中心軸に対して傾斜した光線１２’は遮光マスク８によって遮られる。これはレンズの一般的な性質としてレンズの主点を通る光を直進させることに起因する。従って、マイクロレンズ１１の効果は十分ではなく、傾斜した光線に対しては必ず検出効率は落ちる。例えばレンズ系２の中心軸、即ち光検出器４の中心から離れた領域では、検出面法線に対し光線が大きく傾斜するので、中心近傍に比べ明るさが十分でなくなり、画像処理での補正処理が必要となる。また、この傾斜した光線に対する課題は、レンズ系の光学設計時に像側テレセントリック条件（像側で光軸に平行な光線となること）を要求し、設計への自由度を大きく制限している。

一方、図９（ｂ）は、光検出器４の上に画素１６のピッチΛに近接したピッチ（図ではピッチ１０Λ／９）の明暗パターンが投影される場合をしめしている。明暗パターンの暗線１３は図９（ｂ）の左右端では画素１６を塞ぎ、中央付近では画素１６の間を塞ぐ形になる。従って、図の中央付近では明るく左右端では暗いパターンが検出され、実際の明暗パターンとは全く異なった、大きな周期の明暗パターンが偽信号として検出される。

この縞模様は一般にモアレ縞と呼ばれる。この画素１６の周期方位は縦方向、横方向、２つの斜め方向、合わせて４つの方向に存在するので、モアレ縞も暗いパターンが４つの方向にある時に発生する。このモアレ縞を防ぐために、従来例では光学系の周波数特性性能を落とし（いわば光学系の解像度を落とし）、画素１６のピッチΛに近接したピッチの明暗パターンがつぶれるように設計している。即ち、受光部６の画素数で決まる解像度よりも、光学系の解像度を設計的に低くして組み合わせている。光学系の解像度を低くする方法として、設計的に実現する方式や、複屈折性の基板を傾けて光検出器４の前に配置し、複屈折の効果で光を滲ませる方式等も使われる。このことを光検出器側からみれば、光学系の解像度よりも一段高い解像度の光検出器４を用いることになり、複屈折性の基板の付加も合わせて、全体のコストアップに繋がる。

また、携帯電話用の小型の撮像装置は薄さが要求されるが、これを実現するには焦点距離ｆを小さくすることが必要である。ｆが小さくなると像３のサイズ（一辺の長さ）も比例して小さくなるので、受光部６のサイズが同じである限り、像３の検出に用いられる画素数が少なくなり、像３の解像度が悪くなる。従って、解像度を維持させるには、受光部６のサイズ（一辺の長さ）も焦点距離ｆに比例して小さくする必要がある。

一方、口径Ｄを固定のままでｆを小さくすると、レンズ系２の光学性能の確保が難しくなり、特に軸外特性（レンズ中心軸に対し角度を持って入射する光の光学特性）が劣化する。即ち、像３の像高部の領域（レンズ系２の中心軸即ち光検出器４の中心から離れた領域）には大きな収差が生じやすく、この領域での解像度が著しく劣化する。

従って、光学性能を維持するには口径Ｄも同じ比率で小さくする（いわゆるＦ値を一定にする）必要がある。焦点距離ｆと受光部６のサイズと口径Ｄとが同じ比率で小さくなると、Ｆ値が一定なので像３の光強度は変わらないが、受光部６のサイズが小さくなる分、受光面積が小さく、単一の受光部６での検出光量も小さくなる。従って、薄さを追求するために焦点距離ｆを小さくすることで、像３の解像度が悪くなったり（受光部６のサイズが変わらない場合）、光学性能が悪くなったり（口径Ｄのサイズが変わらない場合）、以上の性能を全て確保できても受光部６での検出光量が小さくなる課題が残る。

本発明は、光検出器の中心軸から離れた領域でも明るさの劣化が少なく、画素のピッチΛに近接したピッチの明暗パターンが投影されてもモアレ縞が発生しにくい撮像装置及び撮像用光検出装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、像の解像度や光学系の光学性能や受光部での検出光量の劣化を招くことなしに焦点距離を小さくできる撮像装置及び撮像用光検出装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、相互に異なるフィルタリング特性を有する第１から第３の色フィルタを含む少なくとも３個の色フィルタと、前記第１から第３の色フィルタにそれぞれ対応づけられた第１から第３のレンズ系を含む少なくとも３個のレンズ系と、前記第１の色フィルタおよび第１のレンズ系を透過した光を受ける第１の光検出器、前記第２の色フィルタおよび第２のレンズ系を透過した光を受ける第２の光検出器、および、前記第３の色フィルタおよび第３のレンズ系を透過した光を受ける第３の光検出器を含む光検出部とを備え、前記第１から第３の光検出器の各々は、二次元的に配列された光検出セルのアレイを有し、各光検出セルの中心は、辺を共有する三角形群の各頂点に位置し、前記三角形の３つの頂角は、いずれも、９０°に等しくない。

好ましい実施形態において、各光検出セルの中心は、辺を共有する正三角形群の各頂点に位置する。

好ましい実施形態において、各光検出セルの中心は、辺を共有する六角形群又は正六角形群の中心に位置する。

好ましい実施形態において、各光検出セルは、受光部と、光を前記受光部に導く光導波路部とを有し、前記光導波路部は、周囲の屈折率よりも相対的に高い屈折率を有する柱状コアから形成されている。

好ましい実施形態において、前記柱状コアは、前記光検出セルのアレイ上に二次元的に配列されている。

好ましい実施形態において、前記柱状コアは、光入射側で相対的に太くなる形状を有している。

好ましい実施形態において、前記第１の色フィルタにおける第１の波長域以外の波長域における光の透過率は、前記第１の波長域における光の透過率に比べて低く、前記第２の色フィルタにおける第２の波長域以外の波長域における光の透過率は、前記第２の波長域における光の透過率に比べて低く、前記第３の色フィルタにおける第３の波長域以外の波長域における光の透過率は、前記第３の波長域における光の透過率に比べて低く、前記第１から第３の波長域の中心波長は、それぞれ、異なっている。

好ましい実施形態において、前記第１の色フィルタにおける第１の波長域における光の透過率は、前記第１の波長域以外の波長域における光の透過率に比べて低く、前記第２の色フィルタにおける第２の波長域における光の透過率は、前記第２の波長域以外の波長域における光の透過率に比べて低く、前記第３の色フィルタにおける第３の波長域における光の透過率は、前記第３の波長域以外の波長域における光の透過率に比べて低く、前記第１から第３の波長域の中心波長は、それぞれ、異なっている。

好ましい実施形態において、前記第１の波長域、第２の波長域、および第３の波長域は、それぞれ、赤色、緑色、および青色に相当している。

好ましい実施形態において、前記色フィルタは、前記レンズ系に関して前記光検出部の反対側に配置されている。

好ましい実施形態において、前記色フィルタは、前記レンズ系と前記光検出部との間に配置されている。

好ましい実施形態において、前記第１から第３の色フィルタは、それぞれ、前記第１から第３の光検出器上に設けられている。

好ましい実施形態において、前記第１から第３の光検出器の各々に含まれる光検出セルの個数は、前記光検出器に含まれる光検出セルの総数の１／６以上１／３以下である。

好ましい実施形態において、前記第１から第３の光検出器上に形成される像の大きさの差異が、前記光検出セルの大きさよりも小さい。

好ましい実施形態において、前記第１から第３のレンズ系の横倍率は相互に等しい。

好ましい実施形態において、前記少なくとも３個の色フィルタは、前記第１から第３の色フィルタのいずれか１つのフィルタリング特性と同様のフィルタリング特性を有する第４の色フィルタを含み、前記少なくとも３個のレンズ系は、前記第４の色フィルタに対応づけられた第４のレンズ系を含み、前記光検出部は、前記第４の色フィルタおよび第４のレンズ系を透過した光を受ける第４の光検出器を含み、前記第４の光検出器は、二次元的に配列された光検出セルのアレイを有し、個々の光検出セルが受けた光の強さに対応する電気信号を出力する。

好ましい実施形態において、前記少なくとも３個の色フィルタは、前記第１から第３の色フィルタのいずれのフィルタリング特性とも異なるフィルタリング特性を有する第４の色フィルタを含み、前記少なくとも３個のレンズ系は、前記第４の色フィルタに対応づけられた第４のレンズ系を含み、前記光検出部は、前記第４の色フィルタおよび第４のレンズ系を透過した光を受ける第４の光検出器を含み、前記第４の光検出器は、二次元的に配列された光検出セルのアレイを有し、個々の光検出セルが受けた光の強さに対応する電気信号を出力する。

好ましい実施形態において、前記第１から第４の色フィルタは、第１の平面上の直交軸で分割される４つの象限に並べられており、前記第１から第４のレンズ系は、前記第１の平面に平行な第２の平面上の直交軸で分割される４つの象限に並べられており、前記第１から第４の光検出器は、前記第１の平面に平行な第３の平面上の直交軸で分割される４つの象限に並べられている。

好ましい実施形態において、前記第４の光検出器の所定領域における光強度分布と、前記第１から第３の光検出器から選択された１つの光検出器の所定領域における光強度分布とを比較することにより、前記第１から第３の光検出器から選択された１つの光検出器上の像と前記第４の光検出器上の像との間にある位置ずれの大きさを検出し、
前記位置ずれの大きさに基づいて前記第１から第４の光検出器上の像の相対ずれ量を決定し、前記電気信号を補正する。

好ましい実施形態において、前記光検出器の所定領域は、前記第１から第４のレンズ系の各中心軸が前記第１から第４の光検出器の表面と交差する４つの点の各々から前記第３の平面上の直交軸の交点までの間の直線上に位置する。

好ましい実施形態において、前記光検出器の所定領域における光強度分布の時間変化を検出することにより、前記光検出器上の像の位置ずれの大きさを検出し、前記位置ずれの大きさに基づいて前記光検出器上の像の移動速度を決定し、前記電気信号を補正する。

好ましい実施形態において、前記光検出器の所定領域の１つは、前記第１から第４のレンズ系の各中心軸が前記第１から第４の光検出器の表面と交差する４つの点の各々から前記第３の平面上の直交軸の交点までの間の直線の１つの上に位置し、前記光検出器の所定領域の他の１つは、前記直線の他の１つの上に位置する。

本発明の光検出装置は、二次元的に配列された複数の光検出セルを備える光検出器であって、各光検出セルの中心は、辺を共有する三角形群の各頂点に位置し、前記三角形の３つの頂角は、いずれも、９０°に等しくない。

本発明の他の光検出装置は、二次元的に配列された複数の光検出セルを備える光検出器であって、各光検出セルの中心は、辺を共有する正三角形群の各頂点に位置する。

本発明の更に他の光検出装置は、二次元的に配列された複数の光検出セルを備える光検出器であって、各光検出セルの中心は、辺を共有する六角形群又は正六角形群の中心に位置する。

好ましい実施形態において、前記光検出セルが六角形又は正六角形の境界線で仕切られ、前記六角形又は正六角形が互いに辺を接して配置され、前記光検出セルに入射する光は、前記六角形又は前記正六角形に囲まれた領域の光が、対応する前記光検出セルの光受光部に導かれて検出される。

本発明による更に他の光検出装置は、二次元的に配列された光検出セルのアレイを備える光検出装置であって、各光検出セルは、受光部と、前記受光部に光を導く光導波路部とを有し、前記光導波路部は、周囲の屈折率よりも相対的に高い屈折率を有する柱状コアから形成されている。

好ましい実施形態において、前記柱状コアは、前記光検出セルのアレイ上に二次元的に配列されている。

好ましい実施形態において、前記柱状コアは、光入射側で相対的に太くなる形状を有している。

本発明の撮像装置は、色フィルタ、レンズ系、および光検出器のセットを、例えばＲ、Ｇ、Ｂに対応させるように用意している。このため、色ごとに異なる像を示すデータを各光検出器から得ることができ、それらのデータを合成することによってカラー画像を生成することができる。また、本発明によれば、個々の光検出器上に画素単位でパターニングされた色フィルタの配列を形成する必要がない。従来用いられてきたレンズ系を、例えばＲＧＢに対応する複数のレンズ系に分けるため、個々のレンズ系を小型化し、明るさを減じることなく焦点距離を短縮することができる。レンズ系の焦点距離を短縮できれば、撮像装置の厚さを小さくすることができる。

このように並列的に配列した複数のレンズ系を備えることにより、例えば半分の焦点距離であっても同一の光学性能が確保できる。焦点距離が縮小されると、小型化以外の効果として、像面湾曲などの収差も比例して小さくできので、誤差余裕を確保できる。

更に、画素が二等辺三角形又は正三角形の頂点位置を中心にして並んでいるため、モアレ縞の発生頻度が減少する。このため、画素境界が互いに接するまで大きくし、モアレ縞の程度を大幅に改善することができる。

また、光検出器内部に導波管部を設けることにより、光検出器に入射する光、特に斜入射光の取り込み効率が大幅に高まる効果が得られる。その結果、光学設計の上で像側テレセントリック条件を無視することもでき、設計への自由度が大幅に広がる。

（実施形態１）
以下、図１から図５を参照しつつ、本発明による撮像装置の第１の実施形態を説明する。なお、図８に示す従来の撮像装置の構成要素と共通する構成要素については、同一の参照符号を用いている。

まず、図１を参照する。図１は、本実施形態の撮像装置の全体構成を示している。

物体１で反射された自然光や照明光の一部は、色フィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ、９Ｄを透過した後、レンズ系２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ、２Ｄにより、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光検出器４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ、４Ｄ上に像３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ、３Ｄを形成する。レンズ系２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ、２Ｄの各々は、好ましくは所望の光学性能を実現するように光軸に沿って並んだ複数のレンズの組み合わせであるが、ここでは簡単のため、単一のレンズから構成されるものとして説明を行う。

色フィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ、９Ｄは、フィルタ基板上の直交座標軸９Ｘ、９Ｙにより４等分割された４つの象限に対応して形成されており、それぞれ赤近傍以外、緑近傍以外、青近傍以外、緑近傍以外の波長の光の透過率をカットする。本実施形態における色フィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ、９Ｄは、図１に示すように、同一平面上に配列されているが、これらの色フィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ、９Ｄは、異なる平面上に配列されていてもよい。

レンズ系２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ、２Ｄも、直交座標軸２Ｘ、２Ｙにより４等分割された４つの象限に対応して形成されている。また、光検出器４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ、４Ｄも、一つの光検出器を直交座標軸４Ｘ、４Ｙにより４等分割し、その４つの象限に対応している。

直交座標９Ｘ、２Ｘ、４Ｘ及び９Ｙ、２Ｙ、４Ｙは、それぞれ互いに平行関係にあり、それらの交点は光軸１４上にある。光検出器４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ、４Ｄは、赤色検出用、緑色検出用、青色検出用、明るさ検出用である。

このように本実施形態では、図８に示す従来の撮像装置とは異なり、画素単位で異なる色フィルタの配列を光検出器上に設けてはいない。このため、光検出器４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ、４Ｄの各々は、従来のフルカラー用光検出器の構成とは異なる構成を有している。この点については、後に詳細を説明する。

本実施形態では、レンズ系２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ、２Ｄの横倍率が揃っている。これにより、レンズ系２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ、２Ｄによって光検出器４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ、４Ｄ上に投影される像３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ、３Ｄの大きさの差異が１画素以下に収まる。このため、各光検出器（４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ、４Ｄ）で検出した信号に基づき、一つ一つの画素のカラー信号を容易に合成することが可能になる。

受光部６における光検出セルの総数（総画素数）と、受光部１個の面積（画素面積）、及びレンズ系のＦ値を統一した状態で従来例と比較すると、本実施形態では従来例の半分の焦点距離で同一の光学性能が確保できている。言い換えれば、焦点距離が半分でも、像３の解像度が悪くならない（画素数が変わらない）。また、光学性能が悪くならず（各レンズ系でのＦ値が変わらないため）、受光部６での検出光量も変わっていない。従って、携帯電話用の小型の撮像装置等、薄さが要求される撮像装置では、光学性能を落とすことなく容易に薄くできるので、その効果は大きい。また焦点距離が小さい分、像面湾曲などの大きさも比例して小さくできるので、誤差余裕が確保できるメリットもある。

図２（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態における撮像装置及び撮像用光検出装置の断面構成をそれぞれ示している。図には、赤色を検出する部分のみが示されているが、他の色を検出する部分も同様の構成を有している。

光検出器４Ｒは、図２（ａ）に示されるように、検出基板５と、検出基板５の表面に形成されたフォトディテクタ等の受光部６と、検出基板５の表面を覆う透明層７と、透明層７上に設けられた遮光マスク８とを備えている。検出基板５は、典型的にはシリコン基板から形成される。受光部６は、半導体製造技術を用いて作製され得る。遮光マスク８の上には、導波管１５の二次元的なアレイを含む透明層１０が積層され、その上には個々の導波管１５に対応するようにマイクロレンズ１１のアレイが形成されている。

受光部６からマイクロレンズ１１までの構造体が、単一色の画素（以下、これを画素として説明する）として動作する。各画素で受けた光の出力が電気信号として出力される。これらの信号は、他のレンズ系に対応する受光部６の対応する画素から出力される信号と組み合わせられてカラーの画像が再生されることになる。

導波管１５は、透明層１０よりも屈折率が相対的に高い材料から形成されている。導波管１５は、図２（ｂ）に示すように、光軸１４に沿った柱状構造を有している。より詳細には、マイクロレンズ１１に近い位置の入力部１５ａと、受光部６に近い位置の出力部１５ｂとを有しており、入力部１５ａの直径が出力部１５ｂの直径よりも大きく設定されている。導波管１５の入力部１５ａの端面はマイクロレンズ１１とほぼ接し、出力部１５ｂの端面は透明層７に接している。

透明層１０の屈折率が例えば１．５のとき、導波管１５の屈折率は例えば２．０程度に設定される。光は、低屈折率の媒質から高屈折率の媒質へと伝播するため、透明層１０中にあって導波管１５の近傍を伝搬する光は導波管１５に引き込まれる。

本実施形態では、図１に示すように光検出器４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ、４Ｄから色フィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ、９Ｄを分離しているため、光検出器４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ、４Ｄにおける画素は、ベイヤー配列などの色フィルタにおける画素配列の規則に拘束されることなく、高い自由度で配列され得る。

具体的には、各光検出器４における光検出セルが、図５（ａ）に示すように配置されている。図５（ａ）は、本実施形態における撮像装置の光検出器４の一部を上から眺めた図である。画素１６が直角三角形以外の三角形、例えば辺ＡＢ、ＡＣを等辺とする二等辺三角形ＡＢＣの頂点位置、又は正三角形の頂点位置を中心にして並んでいる。各頂点の横方向の間隔（ＡＡ’又はＢＣ）はピッチΛであり、縦方向にもピッチΛの等間隔で並んだ横線上に頂点が整列している。１つの画素１６が、１つの受光部６に相当している。

図５（ｂ）は、光検出器４の上に画素１６のピッチΛに近接したピッチの明暗パターンが投影される場合（図ではピッチ１０Λ／９）を示している。矢印１６ａの行では明暗パターンの暗線１３は図５（ｂ）の左右端で画素１６を塞ぎ、中央付近では画素１６の間を塞ぐ形になる。一方、矢印１６ｂの行では明暗パターンの暗線１３は図５（ｂ）の中央付近で画素１６を塞ぎ、左右端では画素１６の間を塞ぐ形になる。これらの行の出現確率は等しいので、全体としては画素１６の塞がれ方が均一に見え、モアレ縞が発生しない。

しかしながら、図５（ｃ）に示すような辺ＡＣに沿った明暗パターンの場合は、矢印１６ａの行で明暗パターンの暗線１３が左右端では画素１６を塞ぎ、中央付近では画素１６の間を塞ぎ、この状態が辺ＡＣの方向に沿って引き継がれる。従って、辺ＡＣ（辺ＡＢ、辺ＢＣも同様）に沿った明暗パターンの場合には、従来例と同様にモアレ縞が発生することになる。なお、従来例では明暗パターンが縦方向、横方向、２つの斜め方向、合わせて４つの方向にある時にモアレ縞が発生したが、図５（ａ）の並びでは３つの方向に減少しており、ある程度の改善効果はある。

再び、図２を参照する。

個々の画素に対応する位置に設けられている光検出セルは、互いに絶縁され、それらの間には隙間がある。この隙間に、検出信号を転送（ＣＣＤの場合、垂直転送及び水平転送）するための配線が引き回されている。遮光マスク８は各受光部６の間の隙間に相当する部分の上に形成されており、受光部６は遮光マスク８には覆われていない。導波管１５及びマイクロレンズ１１の中心は、受光部６の中心に整合している。各導波管１５は、遮光マスク８の対応する開口部内に位置している。

２次元的に配列された多数の受光部６は相互に同一の構造を有している。入射光線１２がマイクロレンズ１１の中心軸から傾き、中心からもシフトした場合、マイクロレンズ１１はこの光を屈折させて導波管１５側に折り曲げる。導波管１５は、この屈折光を内部に引き寄せて、受光部６に導く働きをなす。

光線１２がマイクロレンズ１１の中心を通って中心軸から傾く場合にはマイクロレンズ１１の屈折効果は少ないが、導波管１５の入力部１５ａの付近を通過するので導波管１５の内部に引き込まれ、導波管１５内部を伝搬して受光部６まで導かれる。なお、受光部６側の導波管端面は受光部６に近接するほど光の受光効率が高まるので、導波管１５を透明層７の内部まで引き込んでも良い。

また、受光部６の上に透明層７よりも高屈折率の媒質を積層し、各受光部６の間では透明層７により仕切ることで、導波管端面から出射する光を効果的に取り込み、受光部６に導くこともできる。従って、本実施形態は従来例にくらべ光検出器に入射する光の取り込み効率が高く、特に従来例では取り込められなかった斜入射光をも損失なく検出でき、その効果は大きい。また従来例では、像側テレセントリック（像側で光軸に平行な光線となること）が光学設計上の必要条件であったが、本実施形態ではこれを無視することもでき、設計への自由度も大幅に広がる。なお、導波管１５による集光率が高いため、マイクロレンズ１１を省略することによって、装置の構成を簡単化してもよい。また、導波管１５の光入射側部分をマイクロレンズと一体化しても良い。

図３（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態における撮像装置での光軸方向の物体位置と像位置との関係をそれぞれ示す図である。物体１がレンズ面からａの距離にある場合は、レンズ面からｂの距離にある検出面上では像３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ、３Ｄが形成される。物体１’がレンズ面からａ’の距離にある場合は、各レンズ中心が光軸１４からずれているために（ずれ幅をδとする）、レンズ面からｂの距離にある検出面上での像も光軸１４と検出面との交点４０を中心とする動径方向に沿ってずれ、像３Ｒ’、３Ｇ’、３Ｂ’、３Ｄ’が形成される。物体１の像と物体１’の像との間に存在するずれ幅Δは、以下の式１で与えられる。

Δ＝δｂ（１／ａ’−１／ａ） … （式１）

本実施形態における撮像装置でカラーの像を再生するには、各光検出器４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ、４Ｄで検出した信号を、１画素単位で対応させ、カラーの画素として合成する必要がある。物体の遠近差によって（式１）で示した像位置の変位が生じると、このような像位置の変位による画素のシフトを補正する必要がある。

この補正の仕方は次の通りである。

まず、図３（ｂ）に示すように、互いに対角位置にある光検出器４Ｇと光検出器４Ｄとにより、中心点４０を通る動径方向４ＧＤに沿った画素での検出光量分布の比較を行う。この比較により、光検出器４Ｇにおける光強度分布と光検出器４Ｄにおける光強度分布との間の相関関係を求める。物体像の対応する部分の画素の位置が、光検出器４Ｄでは点４Ｄ０’であるに対し、光検出器４Ｇでは点４Ｇ０’であったとする。なお、対応する画素位置の比較は、光検出器４Ｒと光検出器４Ｂとの間で行ってもよいが、光検出器４Ｇおよび光検出器４Ｄは、いずれも同色の像を形成するため、対応する画素の位置ずれを決定しやすい。

点４Ｇ０および点４Ｄ０を、それぞれ、光検出器４Ｇおよび光検出器４Ｄの中心点とする。このとき、点４Ｇ０、点４Ｄ０は、中心４０に関する対称点である。また、レンズ系２Ｇ、２Ｄも光軸１４に関して対称であるので、点４Ｇ０’、点４Ｄ０’も中心４０に関する対称点である。点４Ｇ０’の点４Ｇ０に対する偏差εは、物体位置がレンズからａの距離にあるとき、δｂ／ａの値に相当する。この値は、他の光検出面でも同じである。

動径（中心４０と各検出器中心を通る直線）に沿って偏差εだけシフトした点を各光検出器座標系の新たな原点として、各座標系の同一座標位置を対応させる。こうすることにより、像位置の変位による影響を補正することができ、カラー信号の合成を適切に実行することができる。

図４（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態における撮像装置での光軸直交方向の物体位置と像位置との関係をそれぞれ示す図である。物体１がレンズ面からａの距離にある場合は、レンズ面からｂの距離にある検出面上では像３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ、３Ｄが形成される。物体１が光軸１４に直交する面内の方向Ｓにそって距離δ’だけ移動したとき、その物体を物体１’と称することとする。この物体１’については、レンズ面からｂの距離にある検出面上での像も方向Ｓの逆方向に沿ってずれ、像３Ｒ’、３Ｇ’、３Ｂ’、３Ｄ’が形成される。この像のずれ幅Δ’は、次の式２で与えられる。

Δ’＝δ’ｂ／ａ … （式２）

画像の撮影中に、このような横ずれが起こると、再生された画像は横方向にぶれる。カメラの手ぶれによる影響は、レンズ側から見ると、レンズに対する物体の相対的横ずれに相当し、図３に示す現象と同じである。前述したように、本実施形態における撮像装置では、各光検出器（４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ、４Ｄ）で検出した信号を画素単位で対応させ、合成するため、図に示すように像位置が変位すると、合成されるべき画素の対応づけが適切に行われず、色ずれが発生する。従って、この影響を補正する必要がある。

この補正の仕方は、次の通りである。

光検出器４Ｇにおいて、中心点４０を通る動径方向４ＧＤに沿った画素で、適当な微小時間差Δｔを為して２つの光量分布を検出し、分布の相関関係をとって相似画素が動径方向４ＧＤ上の点ＰからＰ’に変位したとする。一方、光検出器４Ｒにおいて、中心点４０を通る動径方向４ＲＢに沿った画素で、適当な微小時間差Δｔを為して２つの光量分布を検出し、分布の相関関係をとって相似画素が動径方向４ＲＢ上の点ＱからＱ’に変位したとする。微小時間差Δｔにおける像位置の変位ベクトルＲＲ’はベクトルＰＰ’とベクトルＱＱ’の和で与えられる。従って、手ぶれ等によって起こされる像のずれ方の速度ベクトルはベクトルＲＲ’／Δｔに等しくし、この速度ベクトルに時間間隔を掛けた分だけシフトした点を各光検出器座標系の新しい原点として、各座標系の同一座標位置を対応させることで同じ像位置の画素の対応を取ることができ、画像の撮影中における像位置の変位の影響が補正される。

（実施形態２）
図６（ａ）は本発明の他の実施形態における撮像装置の光検出器４の一部を上から眺めた図で、図５（ａ）で示した実施形態１における撮像装置の光検出器４に比べ、画素１６の中心位置は変わらないが、各画素１６の外径が互いに接するまで大きくなっている。本実施形態では、光検出器４を除く他の構成要素は、実施形態１における構成要素と同一であるため、それらの構成要素の詳しい説明は省略する。

図６（ｂ）は、光検出器４の上に画素１６のピッチΛに近接したピッチの明暗パターンが投影される場合（図ではピッチ１０Λ／９）を示している。矢印１６ａの行では明暗パターンの暗線１３は図６（ｂ）の左右端で画素１６を塞ぎ、中央付近では画素１６の間を塞ぐ形になっているが、中央と左右端の差異は実施形態１よりも小さくなっている。一方、矢印１６ｂの行では明暗パターンの暗線１３は図６（ｂ）の中央付近で画素１６を塞ぎ、左右端では画素１６の間を塞ぐ形になっているが、これも中央と左右端の差異は実施形態１よりも小さくなっている。これらの行の出現確率は等しいので、全体としては画素１６の塞がれ方が均一に見え、モアレ縞が発生しない。更に、図６（ｃ）に示すような、辺ＡＣに沿った明暗パターンの場合でも、中央と左右端の差異は実施形態１よりも小さくなっており、モアレ縞が発生しにくい。従って、本実施形態では、辺ＡＣ（辺ＡＢ、辺ＢＣも同様）に沿った明暗パターンの場合に発生するモアレ縞が実施形態１に比べて緩和される。

（実施形態３）
図７（ａ）は本発明の別の実施形態における撮像装置の光検出器４の一部を上から眺めた図で、図６で示した実施形態２における撮像装置の光検出器４に比べ、画素１６の中心位置は変わらないが、各画素１６の外形が６角形となり、各辺が互いに接する形状となっている。なお、本実施形態でも、光検出器４を除く他の構成要素は、実施形態１における構成要素と同一であるため、それらの構成要素の詳しい説明は省略する。

図７（ｂ）は、光検出器４の上に画素１６のピッチΛに近接したピッチの明暗パターンが投影される場合（図ではピッチ１０Λ／９）を示している。矢印１６ａの行では明暗パターンの暗線１３は図７（ｂ）の左右端で画素１６を塞ぎ、中央付近では画素１６の間を塞ぐ形になっているが、中央と左右端の差異は実施形態２における差異よりも小さくなっている。一方、矢印１６ｂの行では明暗パターンの暗線１３は図７（ｂ）の中央付近で画素１６を塞ぎ、左右端では画素１６の間を塞ぐ形になっているが、これも中央と左右端の差異は実施形態２以上に小さくなっている。これらの行の出現確率は等しいので、全体としては画素１６の塞がれ方が均一に見え、モアレ縞が発生しない。

更に、図７（ｃ）に示すような、辺ＡＣに沿った明暗パターンの場合でも、中央と左右端の差異は実施形態２よりも小さくなっており、モアレ縞が発生しにくい。従って、実施形態３では辺ＡＣ（辺ＡＢ、辺ＢＣも同様）に沿った明暗パターンの場合に発生するモアレ縞は実施形態１や２は基より実施形態２に比べても緩和されている。

なお、図５、６、７において画素１６の言葉を使用したが、厳密には光検出器４への入射光が受光部６に導かれて検出される上での有効領域の意味であり、マイクロレンズ１１や導波管１５、受光部６の断面形状は図５、６、７の画素形状とは別の形状であっても良い。

また、上記の各実施形態で色フィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂをそれぞれ赤近傍以外、緑近傍以外、青近傍以外の波長の光の透過率をカットするとしたが、それらの補色以外をカットする形態でもよく、この場合、色フィルタ９Ｒ、９Ｇ、９Ｂはそれぞれ赤近傍、緑近傍、青近傍の波長の光の透過率をカットすることになる（いわゆるシアン、マゼンタ、黄色のカラーフィルタ）。

なお、フルカラーの画像を形成するためには、３色（赤、緑、青又はそれらの補色であるシアン、マゼンタ、黄色）のフィルタがあれば十分であるため、色フィルタ９Ｄ、レンズ系２Ｄ、および光検出器４Ｄのセットを省略してもよい。この場合、レンズ系２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、それぞれ、同一面内で１２０度の角度で仕切られた３つの領域内に配置される。

上述の実施形態の撮像装置は、何れも、図１に示す基本的な構成を備えているが、各実施形態における画素配列は、従来の光学系を備える撮像装置に用いることもできる。例えば、図８に示す従来の光検出器のように、赤、緑、青色のフィルタが画素単位で配列されたフィルタ層を備える構成と組み合わせても用いても良い。

本発明の撮像装置は、薄型のカメラ等に適用できる。

本発明による撮像装置の第１の実施形態の全体構成図である。 （ａ）は、図１の撮像装置の構成を示す図、（ｂ）は、その撮像用光検出装置の断面図である。 （ａ）は、図１の撮像装置における光軸方向の物体位置と像位置との関係を示す図、（ｂ）は、同装置での光検出器におけるずれを示す図である。 （ａ）は同撮像装置での光軸直交方向の物体位置と像位置との関係を示す図、（ｂ）は同装置での光検出器におけるずれを示す図である。 （ａ）は、第１の実施形態における光検出器の画素配列を示す上面図、（ｂ）は、画素配列に形成され明暗パターンの一例を示す投影図、（ｃ）は、画素配列上の明暗パターンの他の例を示す投影図である。 （ａ）は、第２の実施形態における光検出器の画素配列を示す上面図、（ｂ）は、画素配列に形成され明暗パターンの一例を示す投影図、（ｃ）は、画素配列上の明暗パターンの他の例を示す投影図である。 （ａ）は、第３の実施形態における光検出器の画素配列を示す上面図、（ｂ）は、画素配列に形成され明暗パターンの一例を示す投影図、（ｃ）は、画素配列上の明暗パターンの他の例を示す投影図である。 （ａ）は、従来の撮像装置の構成を示す図、（ｂ）は、撮像用光検出装置の断面図である。 （ａ）は、従来の撮像装置における光検出器の画素配列を示す上面図、（ｂ）は画素配列上に形成される明暗パターンを示す投影図である。

符号の説明

１ 物体
２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ、２Ｄ レンズ
３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ、３Ｄ 像
４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ、４Ｄ 光検出器
９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ、９Ｄ 色フィルタ
１４ 光軸

Claims (29)

1. 相互に異なるフィルタリング特性を有する第１から第３の色フィルタを含む少なくとも３個の色フィルタと、
   前記第１から第３の色フィルタにそれぞれ対応づけられた第１から第３のレンズ系を含む少なくとも３個のレンズ系と、
   前記第１の色フィルタおよび第１のレンズ系を透過した光を受ける第１の光検出器、前記第２の色フィルタおよび第２のレンズ系を透過した光を受ける第２の光検出器、および、前記第３の色フィルタおよび第３のレンズ系を透過した光を受ける第３の光検出器を含む光検出部と、
   を備え、
   前記第１から第３の光検出器の各々は、二次元的に配列された光検出セルのアレイを有し、各光検出セルの中心は、辺を共有する三角形群の各頂点に位置し、前記三角形の３つの頂角は、いずれも、９０°に等しくない、撮像装置。
2. 各光検出セルの中心は、辺を共有する正三角形群の各頂点に位置する、請求項１に記載の撮像装置。
3. 各光検出セルの中心は、辺を共有する六角形群又は正六角形群の中心に位置する、請求項１に記載の撮像装置。
4. 各光検出セルは、
   受光部と、
   前記受光部に光を導く光導波路部と、
   を有し、
   前記光導波路部は、周囲の屈折率よりも相対的に高い屈折率を有する柱状コアから形成されている、請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記柱状コアは、前記光検出セルのアレイ上に二次元的に配列されている、請求項４に記載の撮像装置。
6. 前記柱状コアは、光入射側で相対的に太くなる形状を有している請求項５に記載の光検出装置。
7. 前記第１の色フィルタにおける第１の波長域以外の波長域における光の透過率は、前記第１の波長域における光の透過率に比べて低く、
   前記第２の色フィルタにおける第２の波長域以外の波長域における光の透過率は、前記第２の波長域における光の透過率に比べて低く、
   前記第３の色フィルタにおける第３の波長域以外の波長域における光の透過率は、前記第３の波長域における光の透過率に比べて低く、
   前記第１から第３の波長域の中心波長は、それぞれ、異なっている請求項１に記載の撮像装置。
8. 前記第１の色フィルタにおける第１の波長域における光の透過率は、前記第１の波長域以外の波長域における光の透過率に比べて低く、
   前記第２の色フィルタにおける第２の波長域における光の透過率は、前記第２の波長域以外の波長域における光の透過率に比べて低く、
   前記第３の色フィルタにおける第３の波長域における光の透過率は、前記第３の波長域以外の波長域における光の透過率に比べて低く、
   前記第１から第３の波長域の中心波長は、それぞれ、異なっている請求項１に記載の撮像装置。
9. 前記第１の波長域、第２の波長域、および第３の波長域は、それぞれ、赤色、緑色、および青色に相当している、請求項１に記載の撮像装置。
10. 前記色フィルタは、前記レンズ系に関して前記光検出部の反対側に配置されている、請求項１に記載の撮像装置。
11. 前記色フィルタは、前記レンズ系と前記光検出部との間に配置されている、請求項１に記載の撮像装置。
12. 前記第１から第３の色フィルタは、それぞれ、前記第１から第３の光検出器上に設けられている請求項１１に記載の撮像装置。
13. 前記第１から第３の光検出器の各々に含まれる光検出セルの個数は、前記光検出器に含まれる光検出セルの総数の１／６以上１／３以下である、請求項１に記載の撮像装置。
14. 前記第１から第３の光検出器上に形成される像の大きさの差異が、前記光検出セルの大きさよりも小さい請求項１に記載の撮像装置。
15. 前記第１から第３のレンズ系の横倍率は相互に等しい請求項１４に記載の撮像装置。
16. 前記少なくとも３個の色フィルタは、前記第１から第３の色フィルタのいずれか１つのフィルタリング特性と同様のフィルタリング特性を有する第４の色フィルタを含み、
    前記少なくとも３個のレンズ系は、前記第４の色フィルタに対応づけられた第４のレンズ系を含み、
    前記光検出部は、前記第４の色フィルタおよび第４のレンズ系を透過した光を受ける第４の光検出器を含み、
    前記第４の光検出器は、二次元的に配列された光検出セルのアレイを有し、個々の光検出セルが受けた光の強さに対応する電気信号を出力する、請求項１に記載の撮像装置。
17. 前記少なくとも３個の色フィルタは、前記第１から第３の色フィルタのいずれのフィルタリング特性とも異なるフィルタリング特性を有する第４の色フィルタを含み、
    前記少なくとも３個のレンズ系は、前記第４の色フィルタに対応づけられた第４のレンズ系を含み、
    前記光検出部は、前記第４の色フィルタおよび第４のレンズ系を透過した光を受ける第４の光検出器を含み、
    前記第４の光検出器は、二次元的に配列された光検出セルのアレイを有し、個々の光検出セルが受けた光の強さに対応する電気信号を出力する、請求項１に記載の撮像装置。
18. 前記第１から第４の色フィルタは、第１の平面上の直交軸で分割される４つの象限に並べられており、
    前記第１から第４のレンズ系は、前記第１の平面に平行な第２の平面上の直交軸で分割される４つの象限に並べられており、
    前記第１から第４の光検出器は、前記第１の平面に平行な第３の平面上の直交軸で分割される４つの象限に並べられている、請求項１１または１２に記載の撮像装置。
19. 前記第４の光検出器の所定領域における光強度分布と、前記第１から第３の光検出器から選択された１つの光検出器の所定領域における光強度分布とを比較することにより、前記第１から第３の光検出器から選択された１つの光検出器上の像と前記第４の光検出器上の像との間にある位置ずれの大きさを検出し、
    前記位置ずれの大きさに基づいて前記第１から第４の光検出器上の像の相対ずれ量を決定し、前記電気信号を補正する請求項１８に記載の撮像装置。
20. 前記光検出器の所定領域は、前記第１から第４のレンズ系の各中心軸が前記第１から第４の光検出器の表面と交差する４つの点の各々から前記第３の平面上の直交軸の交点までの間の直線上に位置する請求項１９に記載の撮像装置。
21. 前記光検出器の所定領域における光強度分布の時間変化を検出することにより、前記光検出器上の像の位置ずれの大きさを検出し、
    前記位置ずれの大きさに基づいて前記光検出器上の像の移動速度を決定し、前記電気信号を補正する請求項２０に記載の撮像装置。
22. 前記光検出器の所定領域の１つは、前記第１から第４のレンズ系の各中心軸が前記第１から第４の光検出器の表面と交差する４つの点の各々から前記第３の平面上の直交軸の交点までの間の直線の１つの上に位置し、前記光検出器の所定領域の他の１つは、前記直線の他の１つの上に位置する請求項２１に記載の撮像装置。
23. 二次元的に配列された複数の光検出セルを備える光検出器であって、
    各光検出セルの中心は、辺を共有する三角形群の各頂点に位置し、
    前記三角形の３つの頂角は、いずれも、９０°に等しくない、光検出装置。
24. 二次元的に配列された複数の光検出セルを備える光検出器であって、
    各光検出セルの中心は、辺を共有する正三角形群の各頂点に位置する、光検出装置。
25. 二次元的に配列された複数の光検出セルを備える光検出器であって、
    各光検出セルの中心は、辺を共有する六角形群又は正六角形群の中心に位置する、光検出装置。
26. 前記光検出セルが六角形又は正六角形の境界線で仕切られ、
    前記六角形又は正六角形が互いに辺を接して配置され、
    前記光検出セルに入射する光は、前記六角形又は前記正六角形に囲まれた領域の光が、対応する前記光検出セルの光受光部に導かれて検出される、請求項２５に記載の光検出装置。
27. 二次元的に配列された光検出セルのアレイを備える光検出装置であって、
    各光検出セルは、
    受光部と、
    前記受光部に光を導く光導波路部と、
    を有し、
    前記光導波路部は、周囲の屈折率よりも相対的に高い屈折率を有する柱状コアから形成されている、光検出装置。
28. 前記柱状コアは、前記光検出セルのアレイ上に二次元的に配列されている、請求項２７に記載の光検出装置
29. 前記柱状コアは、光入射側で相対的に太くなる形状を有している請求項２８に記載の光検出装置。
    
    

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